2019-2020年高中化學 1.2《化學能與電能的轉化》學案 蘇教版選修4.doc

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2019-2020年高中化學 1.2《化學能與電能的轉化》學案 蘇教版選修4 [課標要求] 1. 體驗化學能與電能轉化的探究過程，了解原電池和電解池的工作原理，能寫出電極反應和 電池反應的方程式。 2. 通過查閱資料了解常見化學電源的種類及其工作原理，認識化學能與電能相互轉化的實際意義及其重要應用 [活動和探究建議] 1、實驗探究：電能與化學能的相互轉化 2、調查市場常見化學電池的種類，討論它們的工作原理、生產(chǎn)工藝和回收價值。 第二單元 化學能與電能的轉化 學案 [課前思考] 1．構成原電池的條件是什么？如何判斷一個裝置是原電池還是電解池？ 2．如何書寫原電池的電極反應，舉例說明原電池中的電極反應主要有哪些？ 3．電解食鹽水時，那個電極區(qū)能使酚酞變紅？請解釋原因。 4．如何判斷電解過程中的電極產(chǎn)物？ （第一課時） [教學內容增減建議] 1．建議增加原電池原理的應用內容 2．建議資料卡中燃料電池也應作為本節(jié)重點內容 [知識回顧] 請以反應Fe+H2SO4=FeSO4+H2設計一個原電池： [討論]根據(jù)自己設計的原電池回答下列問題： 1、 構成原電池的條件是什么？ 2、標出原電池的正負極，并說明判斷的依據(jù)。 3、在原電池中，電子的流動方向是怎樣的？電流方向呢？ 4、在原電池溶液中，各離子如何移動？ 5．原電池工作過程中，溶液的PH值怎樣變化？并寫出電極反應。 6．原電池是如何將化學能轉化為電能的呢？ [反饋練習] 1．下列說法正確的是（ ） A．原電池是把電能轉化為化學能的裝置 B．原電池中電子流出的一極是正極，發(fā)生氧化反應 C．原電池的兩極發(fā)生的反應均為氧化還原反應 D．形成原電池后，原電池中的陽離子向正極移動 2. 微型鈕扣電池在現(xiàn)代生活中有廣泛應用。有一種銀鋅電池，其電極分別是Ag2O和Zn，電解質溶液為KOH，電極反應為: Zn+2OH--2e－=ZnO+H2O；Ag2O+H2O+2e－=2Ag+2OH- 根據(jù)上述反應式，判斷下列敘述中正確的是：（ ） A．在使用過程中，電池負極區(qū)溶液的pH減小 B．使用過程中，電子由Ag2O極經(jīng)外電路流向Zn極 C．Zn是負極，Ag2O是正極 D．Zn電極發(fā)生還原反應，Ag2O電極發(fā)生氧化反應 [知識講解] 一. 原電池的工作原理 [活動與探究] P12[實驗一]和[實驗二] [討論] 1． 圖1-8裝置中鹽橋的作用是什么？ 2． 根據(jù)實驗現(xiàn)象指出實驗1和實驗2中能量變化的主要形式？ 3． 寫出實驗2中發(fā)生反應的化學方程式和離子方程式 [小結] 在原電池中，負極發(fā)生 ， 電子；正極發(fā)生 ， 電子。電流由原電池的 極流向 極，即電子由 極流向 極。原電池由兩個 組成，其包括 ，其可通過鹽橋連接。 二、化學電源以及電極反應的書寫 1．一次電池 （1）堿性鋅錳干電池 堿性鋅錳干電池的負極為鋅，正極為金屬棒，其電池反應方程式：Zn+2H2O+2MnO2 =2MnOOH+Zn(OH)2，則電極反應為： 負極： 正極： （2）銀鋅紐扣電池 銀鋅紐扣電池的電極分別是Zn和Ag2O，電解質溶液是KOH溶液，電池反應的產(chǎn)物是ZnO和Ag，則其電極反應和電池反應為： 負極： 正極： 電池反應方程式： 2.二次電池 （1）鉛蓄電池 鉛蓄電池其電極分別是Pb、PbO2，電解質是一定濃度的硫酸，工作時的電極反應為： 負極： 正極： 放電時總反應方程式：Pb+Pb02+2H2S04=2PbS04+H2O （2）鎳鎘蓄電池 正極(鎳)上有Ni(OH)3，負極主要是鎘(含有一些鐵)，所用電解質為KOH溶液。放電時發(fā)生的電極反應式： 負極：Cd+20H--2e-=Cd(OH)2 正極：2Ni(OH) +3e-= 2Ni(OH)2+20H -電池總反應式： 3.燃料電池 燃料電池中，電極的導電材料一般為多孔的金屬板，負極是通入還原劑的一方，正極是通入氧化劑的一方。 （1）氫氧燃料電池 一般用30％K0H溶液作這種電池的電解質溶液。電極可用含有催化劑的多孔石墨電極(負極中催化劑可用鉑或鈀，正極中催化劑可用AgO或CoO)。其放電時電極反應： 負極： 正極： （2）甲烷燃料電池 甲烷燃料電池；電解質溶液為氫氧化鉀溶液，電極反應為： 正極： 負極： CH4 + 10OH- -8e === CO32- + 7H2O 總反應： [討論]根據(jù)上述原電池電極反應，總結如何書寫原電池的電極反應。 [總結]電極反應的書寫： 1．原電池的正負極確定 a.由兩極的相對活潑性確定：相對活潑性較強的金屬為負極（一般負極材料與電解質溶液發(fā)生反應），但不是絕對的。如Mg-Al-HCl溶液構成的原電池中，負極為 ，但Mg-Al-NaOH溶液構成的原電池中，負極為 . b.根據(jù)反應的類型判斷：可根據(jù)總反應式來分析電極是發(fā)生氧化反應還是還原反應，若發(fā)生氧化反應，則為負極，若發(fā)生還原反應，則為正極。 2．書寫電極反應注意的問題 a.電極反應是一種離子反應，遵循書寫離子方程式的一切規(guī)則（如“拆”、“平”）；兩電極反應式中得失電子數(shù)目一般相等。 b.負極失電子所得氧化產(chǎn)物、正極得電子所得還原產(chǎn)物，與溶液的酸堿性有關（如+4價的C在酸性溶液中以CO2形式存在、在堿性溶液中以CO32-形式存在）； c.溶液中不存在O2-——在酸性溶液中它H＋與結合成H2O、在堿性或中性溶液中它與H2O結合成OH-。 d.兩極反應相加得到總反應，總反應減去負極反應得到正極反應、總反應減去正極反應得到負極反應。 e.對于可逆電池反應，要弄清楚充電和放電的方向，放電過程體現(xiàn)原電池原理，充電過程體現(xiàn)電解池原理。 [反饋練習] 1．將兩個鉑電極插入KOH溶液中，向兩極分別通入CH4和O2，即構成甲烷燃料電池。已知通入CH4的一極，其電極反應式是：CH4+10OH――8e=CO32－+7H2O；通入O2的另一極，其電極反應式是：O2+2H2O+4e=4OH－，下列敘述不正確的是（ ） A．通入CH4的電極為負極 B．正極發(fā)生氧化反應 C．此電池工作時溶液中陰離子向負極移動 D．該電池使用一段時間后應補充 2．氫鎳電池是近年來開發(fā)出來的可充電電池，它可以取代會產(chǎn)生鎘污染的鎘鎳電池。氫鎳電池的總反應式是：根據(jù)此反應式判斷，下列敘述中正確的是（ ） A. 電池放電時，電池負極周圍溶液的pH不斷增大 B. 電池放電時，鎳元素被氧化 C. 電池充電時，氫元素被還原 D.電池放電時，H2是負極 3．我國首先研制的以鋁-空氣-海水電池為能源的新型航標燈已研制成功。這種燈以取之不盡的海水為電解質溶液，靠空氣中的氧使鋁不斷氧化而源源不斷地產(chǎn)生電流，其能量比干電池高20～50倍。試推測此種新型電池可能的基本結構：__________是負極，__________是正極。電極反應式為 。 4. 航天技術上使用的氫-氧燃料電池具有高能、輕便和不污染環(huán)境等優(yōu)點。氫-氧燃料電池有酸式和堿式兩種，它們放電時的電池總反應的化學方程式均可表示為2H2+O2=2H2O。酸式氫-氧燃料電池中的電解質是酸，其負極反應為2H2-4e-=4H+，則其正極反應為 ；堿式氫氧燃料電池中的電解質是堿，其正極反應為O2+2H2O+4e-=4OH-，則其負極反應為 。 三．原電池的應用： ①制各種電池；②判斷反應速率；③判斷金屬的活潑性；④金屬防護。 [討論]1．將鐵加入硫酸反應后，為了減少其反應速率，可采取的方法？為加快其反應速率，可采取什么方法？ 2．把a、b、c、d四塊金屬浸泡在稀硫酸中，用導線兩兩相連可以組成各種原電池．若a、b相連時，a為負極；c、d相連時，c為負極；a、c相連時， c為正極；b、d相連時，b為正極．則這四種金屬的活動性順序由大到小為 。 [課后練習] 1．已知空氣—鋅電池的電極反應為：鋅片：Zn＋2OH－－2e－＝＝＝ZnO＋H2O； 碳棒： O2＋H2O＋2e－＝＝＝2OH－據(jù)此判斷，鋅片是 A．正極，并被還原 B．正極，并被氧化 C．負極，并被還原 D．負極，并被氧化 2．鉛蓄電池的兩極分別為Pb、PbO2，電解質溶液為H2SO4，工作時的反應為Pb＋PbO2＋２H2SO4＝＝＝２PbSO4＋２H2O，下列結論正確的是 A．Pｂ為正極被氧化 B．溶液的pH不斷減小 C．只向PbO2處移動 D．電解質溶液pH不斷增大 3．將鐵片和銀片用導線連接置于同一稀鹽酸溶液中，并經(jīng)過一段時間后，下列各敘述正確的是( ) A. 負極有Cl-逸出，正極有H+逸出 B. 負極附近Cl-的濃度減小 C. 正極附近Cl-的濃度逐漸增大 D. 溶液中Cl-的濃度基本不變 4．普通鋅－錳干電池是普遍使用的化學電池，其中含有MnO2、NH4Cl、ZnCl2等糊狀物。以鋅筒為負極材料，石墨為正極材料。工作時反應方程式是： Zn＋2MnO２＋2NH４＋＝Zn２＋+Mn２O３＋２NH３＋H２O （1）試寫出干電池放電時的正、負電極反應式： 正極：_______________________________負極：________________________________ 干電池用久了就會變軟，其原因__________________________________________________。 （2）正極反應中，前后經(jīng)歷下列反應：2NH4＋＋2e－＝2NH3＋H2；2MnＯ2＋H2＝Mn2O3＋H2O，如果沒有MnO2參與，干電池將難于持續(xù)穩(wěn)定工作。 試說明理由：_________________________________________________________________。 第二、三課時 [教學內容增減建議] 1． 建議P18[活動與探究]部分可簡單處理 2． 建議電鍍內容的學習可與p21習題7相結合 [知識回顧] 分析下圖，回答下列問題： A B C D E F G (1) 上述裝置中，__________為原電池，__________為電解池。 (2) 在A中，Cu為____極，發(fā)生_______反應，電極反應為_________。Zn為______極，發(fā)生_______反應，電極反應為______________。A中的實驗現(xiàn)象為________________________________。 (3) 在D中，Cu為______極，發(fā)生_______反應，電極反應為___________________。碳棒為______極，發(fā)生_______反應，電極反應為___________________。D中的實驗現(xiàn)象為______________________。 (4) 在G中，Cu為______極，發(fā)生_______反應，電極反應為___________________。碳棒為______極，發(fā)生_______反應，電極反應為___________________。E中的實驗現(xiàn)象為_______________________。 (5) 在A中電子的移動方向為 在E中電子的移動方向為 [總結] 原電池、電解池判定 （1）若無外接電源，可能是原電池，然后根據(jù)原電池的形成條件判定； （2）若有外接電源，兩極插入電解質溶液中，則可能是電解池； （3）若為無明顯外接電源的串聯(lián)電路，則利用題中信息找出能發(fā)生自發(fā)氧化還原反應的裝置為原電池。 [知識講解] 四、電解池的工作原理 [交流與討論] P17 1．電離是指電解質_____________或__________狀態(tài)下離解成____________過程。電離需要通電嗎？_____________。 2．NaCl熔融后電離成_________離子，其在通電前作_________運動。通電后，在外電源的作用下，離子作_________移動而導電。(其中陽離子向電源的_________極移動，陰離子向電源的_________極移動。) 在導電的同時，在陽、陰兩極發(fā)生氧化—還原反應，即被電解。 3． 電后電極表面分別發(fā)生了什么化學反應？ 請寫出電極上發(fā)生的電極反應式： 4． 請分析電解過程中電子的流向： [活動與探究] P18 1． CuCl2溶液中含有哪些離子？ 2． 通電前后，溶液中離子的運動狀態(tài)有何不同？ 3． CuCl2溶液在通電過程中兩極分別有什么現(xiàn)象發(fā)生？ 4． 完成電極反應式和電解反應方程式 [交流與討論] P19 1．在氯化鈉溶液存在 離子，接通直流電源后，溶液中 離子向陽極移動，由于 離子比 離子容易失去電子，在陽極被氧化；溶液中 離子向陰極移動，由于 離子比 離子容易得到電子，在陰極被還原；在 極區(qū)得到NaOH。 2．請寫出電解食鹽水過程中的電極反應為： 總反應的電解方程式 3． 分析氯堿工業(yè)在電解飽和食鹽水時為什么要阻止陰極區(qū)的OH-進入陽極區(qū)： [總結] 1．電極產(chǎn)物的判斷依據(jù)——離子放電順序和電極材料 陰離子失去電子而陽離子得到電子的過程叫放電．放電順序取決于離子本身性質，也與電極材料有關．電解時所使用的電極分為兩類：一類為惰性電極，只起導體的作用（如鉑、石墨等）．另一類為活性電極（除鉑、金以外的金屬），活性電極作陰極，只起導體的作用；若為陽極，電極本身．發(fā)生氧化反應。 （1）在電極的陰極上，陽離子的放電順序為： （2）在惰性電極的陽極上，陰離子放電的順序為： 注：若非惰性電極作陽極，失電子的是電極本身． 2．電解規(guī)律及溶液PH分析： （1）電解規(guī)律：用惰性電極電解酸、堿、鹽各種電解質溶液，依據(jù)放電順序有四種類型： ①含氧強酸、強堿和活潑金屬含氧酸鹽溶液電解，實際上是電解 。 ②無氧酸、不活潑金屬無氧酸鹽溶液電解，實際上是 電解。 ③活潑金屬無氧酸鹽溶液電解， 同時發(fā)生電解。 不活潑金屬含氧酸鹽溶液電解， 同時發(fā)生電解。 (2)電極附近溶液PH值變化： 電解時，如果溶液中H+或OH-在電極上放電，使得電極附近溶液中的H+或OH-濃度發(fā)生改變，而引起電極附近PH值變化。 電解時，如在陽極上生成O2，這時由_____在陽極上放電，使得陽極附近[OH-]___[H+]，陽極區(qū)PH值_____；如在陰極上生成H2，這時由于___在陰極上放電，使得陰極附近[H+]___[OH-]，陰極區(qū)PH值___。 （3）電解質溶液PH值變化： 若電解時，只生成H2，而不生成O2，溶液的PH值_____； 若只生成O2，而不生成H2，溶液的PH值_________； 若既生成H2，又生成O2，實際上就是電解_____;此時若原溶液為酸性，其PH值______，若為堿性，其PH值______，若為中性，其PH值不變； 若既不生成H2，也不生成O2，溶液的PH值變化不大。 [反饋練習] 1．用惰性電極實現(xiàn)電解，下列說法正確的是 A．電解稀硫酸溶液，實質上是電解水，故溶液pH不變 B．電解稀氫氧化鈉溶液，要消耗OH－，故溶液pH減小 C．電解硫酸鈉溶液，在陰極上和陽極上析出產(chǎn)物的物質的量之比為1:2 D．電解氯化銅溶液，在陰極上和陽極上析出產(chǎn)物的物質的量之比為1:1 2．用惰性電極電解下列溶液，電解一段時間后，電解液的pH增大了的是（ ）。 A、H2SO4 B、KOH C、AgNO3 D、NaCl 3、用惰性電極電解下列溶液，一段時間后，再加入一定質量的另一種物質（中括號內），溶液能與原來溶液完全一樣的是（ ）。 A、CuCl2[CuSO4] B、NaOH[NaOH] C、KCl[HCl] D、CuSO4[Cu(OH)2] 4． 新型高能鈉硫電池以熔融的鈉、硫為電極，以鈉離子導電的陶瓷為固體電解質。該電池 放電時為原電池，充電時為蓄電池，反應原理為：2Na + xS Na2SX (1)放電時，S發(fā)生 反應，Na作 極。 （2）充電時Na所在的電極與直流電源 極相連。 （3）充電時陽極反應為 ；放電時負極反應為 . 五、電解池的應用——電鍍 [觀察與思考] P19 1. 電鍍的原理和目的是什么？ 2. .指出電鍍過程中發(fā)生的能量轉化形式，并分析電鍍過程中電子的流向？ 3. 寫出電鍍銀的過程中兩電極的電極反應式 [總結] 1．電鍍是電解的應用。電鍍是以 為陽極，待 為陰極，含 的溶液為電鍍液。 2．電鍍過程的特點：①犧牲陽極；②電鍍液的濃度（嚴格說是鍍層金屬離子的濃度）保持不變；③在電鍍的條件下，水電離產(chǎn)生的H+、OH—一般不放電。 [例題] 1．用惰性電極電解M（NO3）x的水溶液，當陰極上增重ag時，在陽極上同時產(chǎn)生bLO2（標準狀況），從而可知M的原子量為（ ）。 A、22.4ax/b B、11.2ax/b C、5.6ax/b D、2.5ax/b 2、用鉑電極電解CuSO4和KNO3的混合溶液500mL，經(jīng)一段時間電解后，兩極均得到11.2L氣體（標準狀況），此混合液中CuSO4的物質的量濃度為（ ）。 A、0.5mol/L B、0.8mol/L C、1mol/L D、1.5mol/L 3．右圖中電極a、b分別為Ag電極和Pt電極，電極c、d都是石墨電極。通電一段時間后，在c、d兩極上共收集到336mL（標準狀態(tài)）氣體?；卮穑? （1）直流電源中，M為 極。 （2）Pt電極上生成的物質是 ，其質量為 g。 （3）電源輸出的電子，其物質的量與電極b、c、d分別生成的物質的物質的量之比為： 2∶ ∶ ∶ 。 （4）AgNO3溶液的濃度（填增大、減小或不變。下同） ，AgNO3溶液的PH ，H2SO4溶液的濃度 ，H2SO4溶液的pH 。 （5）若H2SO4溶液的質量分數(shù)由5.00%變?yōu)?.02%，則原有5.00%的H2SO4溶液 g。 [總結]用惰性電極電解鹽AmBn溶液的有關計算時常用的關系式 1、認識“荷”平使者H2O——維護溶液中的“荷”平 當只有An+放電時，水向溶液中補充同量的H+： An+ ~ nH+ 當只有Bm-放電時，水向溶液中補充同量的OH-： Bm- ~ mOH- 當An+、Bm-都放電時，水分子不管事 當An+、Bm-都不放電時，水分子電離出的H+、OH-分別在陰陽極放電 2、常用于計算的兩個關系式 （1）當只有An+放電時，關系式：An+ ~ nH+ ~ nH2O ~ n/4 O2 （2）當只有Bm-放電時，關系式：Bm- ~ mOH- ~ mH2O ~ m/2H2 [課后練習] 1．如下圖所示，銅片和鋅片用導線連接后插入番茄里，鋅片是（ ）。 A．陽極 B．正極 C．陰極 D．負極 2．下列敘述中不正確的是（ ）。 A．電解池的陽極上發(fā)生氧化反應，陰極上發(fā)生還原反應 B．原電池跟電解池連接后，電子從電池負極流向電解池陽極 C．電鍍時，電鍍池里的陽極材料發(fā)生氧化作用 D．電解飽和食鹽水時，陰極得到氫氧化鈉溶液和氫氣 3．電解硫酸銅溶液時，若要求達到以下幾點：⑴陽極質量減少，⑵陰極質量增加，⑶電解液中[Cu2＋]不變，則可選用的電極是（ ）。 A．純銅作陽極，含鋅、銀的銅合金作陰極 B．含鋅、銀的銅合金作陽極，純銅作陰極 C．用純鐵作陽極，用純銅作陰極 D．用石墨作陽極，用惰性電極作陰極 4．用石墨作電極，電解1mol/L下列物質的溶液，溶液的PH值保持不變的是（ ）。 A．HCl B．NaOH C．Na2SO4 D．NaCl 5．下列關于銅電極的敘述，不正確的是（ ）。 A．銅鋅原電池中銅是正極 B．用電解法精煉粗銅時，銅作陽極 C．在鍍件上電鍍銅時可用金屬銅作陽極 D．電解稀硫酸制H2、O2時，銅作陽極 6．將兩個鉑電極插入500ml Cu SO4溶液中，進行電解。通電一定時間后，某一電極增重0.064g（設電解時該電極無氫氣析出，且不考慮水解和溶液的體積變化），此時溶液中氫離子濃度約為（ ）。 A．410－3 mol/L B．210－3 mol/L C．110－3 mol/L D．110－7 mol/L 7．鐵棒與石墨棒用導線連接后，浸入0.01mol/L的食鹽溶液中，可能出現(xiàn)的現(xiàn)象是 A．鐵棒附近產(chǎn)生OH- B．鐵棒被腐蝕 C．石墨棒上放出Cl2 D．石墨棒上放出O2 8．用惰性電極電解飽和Na2CO3溶液，若保持溫度不變，則一段時間后 A．溶液的pH不變 B．c(Na+)與c (CO32-)的比值變大 C．溶液濃度變大，有晶體析出 D．溶液濃度不變，有晶體析出 9．從H+、Na+、Ba2+、Cu2+、Cl－、中選出兩種離子組成電解質，按下列要求進行電解，將電解質的化學式填空：(使用惰性電極) (1) 電解過程中溶液顏色變淺且水量不變_______________________； (2) 電解過程中電解質含量不變，水量減少_______________________； (3) 電解過程中溶液的pH值增大_______________________； (4) 電解過程中，兩極析出氣體的體積比為1∶1__________。 10．(1)右圖的裝置會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？并完成電極反應式和總反應式。 (2) 左邊燒杯為____________裝置，右邊燒杯為____________裝置。當Zn減輕0.65g時，左邊燒杯的碳棒增重_______ g，右邊燒杯的左邊碳棒為_______極，產(chǎn)生的氣體為_______ mol，右邊燒杯的右邊碳棒為_______極，在標狀下產(chǎn)生的氣體為_______ mL。